CN107799892A - 一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，包括五个矩形介质板、电偶极子、磁偶极子、一对短路柱、超表面、馈电结构和两个对称圆弧形缺陷结构反射地，其中电偶极子印刷在第一层介质板的上方，磁偶极子也设置在第一层介质板的上方；超表面嵌在第二层的顶部；天线通过放置在电偶极子中心的阶梯状馈电结构来馈电，两个对称圆弧形缺陷结构反射地印刷在第五介质层的上下两面。本发明天线设计为五层介质板的结构，能有效减低天线剖面。同时把超表面材料嵌入到第二层的顶部，利用超表面的特性减小有效电长度，从而能够提高天线的增益和减小天线的高度，实现天线的低剖面效果。

Description

一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线
[技术领域]
本发明属于通信技术领域，具体涉及新波-一种应用于2G/3G/LTE5G的介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线。
[背景技术]
由于现代无线通信系统的高速发展，应用于2G，3G，LTE，5G通信频段的宽频带且带有稳定增益的天线需求越来越高。在2015年，世界无线通信会议2015中规定了将来通信的5G频段为3.4-3.6GHz。另一方面，众所周知，磁电偶极子天线拥有许多出色的电性能，例如宽频带、稳定的增益、较好的前后比和低交叉极化。宽频带的磁电偶极子天线可以被设计工作在许多无线通信频段，例如2G/3G/LTE频段、WLAN/WiMAX频段和超宽带频段。这些磁电偶极子天线都带有宽频带和平稳增益的特点。然而，这些天线在结构上都有较大的体积，特别是剖面都比较大。例如，许多前面所提到的天线的高度都大于0.25λ。所以，高度小于0.2λ的低剖面磁电偶极子天线变得急需。
超表面，一种平面的等效超材料，在近几年获得了较大的关注。超表面一般由许多结构较小的电特性贴片组成，用于提高天线的性能和缩小天线的尺寸。通过将超片面放置在辐射的微带贴片的上方或下方，天线的带宽被拓宽和增益被提高。此外，通过将超表面放置在线极化源辐射天线的上方，线极化信号可以被转化为圆极化信号。然后，在源辐射天线和超表面中间存在空气层，这将增大天线的体积。为了获得一个较小的天线尺寸，超表面需要放置在源辐射天线的正上方，并且去除掉空气层。通过旋转上层的超表面，天线可以机械性地实现频率可重构以及线极化、左旋圆极化和右旋圆极化的极化可重构。然而这类天线却都存在带宽较窄这个不可避免的缺点。
[发明内容]
针对上述的技术不足，本发明中提出了一款新型的介质板超表面磁电偶极子天线。
本发明的一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线采用了如下技术方案：
一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，包括五个矩形介质板、电偶极子、磁偶极子、一对短路柱、超表面、馈电结构和双层反射地，从上至下分别为第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层、第五介质层，第三至第四介质层结构相同，其中电偶极子印刷在第一层介质板的上方，超表面嵌在第二层的顶部；天线通过放置在电偶极子中心的阶梯状馈电结构来馈电，反射地印刷在第五介质层的上下两面。
进一步地，所述第五介质层的上表面反射地为挖有两个对称圆弧形缺陷结构。
进一步地，所述馈电结构为阶梯型，通过传输线连接第一层水平耦合带一端，第一层水平耦合带另一端连接第一层垂直耦合带，第一层垂直耦合带下方连接第二层水平耦合带，在第二水平耦合带下方连接一个垂直耦合带，在有限空间内增加电流路径长度，从而获得优良的阻抗匹配，拓宽有效带宽，降低剖面高度。
进一步地，所述电偶极子为带有蝴蝶结型槽缝的弧形金属贴片，所述弧形金属贴片能够抑制高频波瓣分瓣，以及获得良好的阻抗匹配，从而提高增益及拓展带宽。
进一步地，所述电偶极子金属贴片中间为梯形的水平耦合带，水平耦合带通过一对短路柱与反射地形成磁偶极子。
进一步地，所述超表面由40个矩形单元贴片组成。
本发明不同于传统的三维立体磁电偶极子天线，本天线设计为五层介质板的结构，多层介质板产生多个谐振点，从而拓展带宽，能有效减低天线剖面。同时把超表面材料嵌入到第二层的顶部，利用超表面的特性减小有效电长度，从而能够提高天线的增益和减小天线的高度，实现天线的低剖面效果。
本发明应用于2G/3G/LTE/5G频段，天线同时可以获得平均增益为5.14dBi的稳定增益。整个有效频带能够获得交叉极化小于-30dB的磁电偶极子的方向图(通过磁电偶极子实现的),天线能实现宽H面覆盖,在整个工作频段中天线H面的3dB带宽均超过了80°。
[附图说明]
图1为本发明天线立体几何结构。
图2为本发明天线第一介质层结构。
图3为本发明天线第二介质层结构。
图4为本发明天线第三层至四介质层结构。
图5为本发明天线第五介质层结构。
图6为本发明天线仿真的S参数和增益。
图7为本发明天线尺寸图。
图8为本发明天线在1.8GHz、2.7GHz和3.5GHz的辐射方向图。
图9为本发明天线的H面波瓣3dB带宽宽度。
图10为本发明天线立体几何结构。
图11为本发明天线立体几何结构。
图12为本发明天线馈电结构。
[具体实施方式]
为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明，其中术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。“上、下”也只表示结构相对位置关系。
如图1所示显示了该天线的几何结构，由电偶极子、磁偶极子、一对短路柱、超表面、馈电结构、双层反射地面和五层介质板组成，其中电偶极子为带有蝴蝶结型槽缝的金属贴片，印刷在第一层介质板的上方；磁偶极子由一片梯形金属贴片组成，也设置在第一层介质板的上方；超表面由4×10个矩形单元组成，嵌在第二层的顶部；天线通过放置在电偶极子中心的阶梯状馈电结构来馈电；反射地印刷在最底层介质板的两面，其中，第五介质层的上表面反射地为挖有两个对称圆弧形缺陷结构
介质板采用型号为Taconic RF-35，磁电偶极子天线是印刷在Taconic RF-35上的，这种介质板拥有3.5的相对介电常数和0.0018的正切损耗。由图2可以得知，带有蝴蝶结型槽缝的金属贴片印刷在第一层介质板的上方，用于获得一个较宽的阻抗带宽。电偶极子贴片通过一对短路柱跟地连接。通过将40个单元组成的超表面放置在第二层介质板的上方，天线的增益被提高，同时天线的高度被降低。所提出的天线通过放置在电偶极子中心的阶梯状馈电结构来馈电，两个对称圆弧形缺陷结构反射地印刷在最底层介质板的两面。第三至第四介质层结构相同，短路柱及馈电结构从中间穿过，到达最下方第五层。
图6中显示了该磁电偶极子天线仿真的S参数和增益。仿真的结果显示天线拥有75％的相对带宽，范围从1.67GHz到3.69GHz，从而覆盖了2G/3G/LTE/5G的频段。天线的增益为5.14±1.24dBi。
图7给出了本发明天线的实施例具体参数尺寸。
图8中显示了天线在1.8GHz、2.7GHz和3.5GHz辐射方向图。从中可以看出天线拥有E面和H面对称的辐射方向图。另外，在整个工作频段的交叉极化都要小于-30dB。
在图9中展示了天线实现的宽H面覆盖。在整个工作频段中天线H面的3dB带宽均超过了80°。
本文提出一种应用于2G/3G/LTE/5G通信系统的基板集成的超表面磁电偶极子天线。通过组合磁电偶极子和超表面材料的固有属性，能够使天线获得超带宽和低剖面属性。除此之外，通过引入两个对称圆弧形缺陷结构反射地面，能够提高磁电偶极子天线的前后比。能够使磁电偶极子电线获得75％的阻抗带宽(1.67-3.69GHZ)和5.14±1.24dBi的稳定增益。由于具有上面提到的性能，可见，该天线能够应用于2G/3G/LTE/5G通信系统。
凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，其特征在于，包括五个矩形介质板、电偶极子、磁偶极子、一对短路柱、超表面、馈电结构和双层反射地，从上至下分别为第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层、第五介质层，第三至第四介质层结构相同，其中电偶极子印刷在第一层介质板的上方，超表面嵌在第二层的顶部；天线通过放置在电偶极子中心的阶梯状馈电结构来馈电，反射地印刷在第五介质层的上下两面。
2.根据权利要求1所述的一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，其特征在于，所述第五介质层的上表面反射地为挖有两个对称圆弧形缺陷结构。
3.根据权利要求1所述的一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，其特征在于，所述馈电结构为阶梯型，通过传输线连接第一层水平耦合带一端，第一层水平耦合带另一端连接第一层垂直耦合带，第一层垂直耦合带下方连接第二层水平耦合带，在第二水平耦合带下方连接一个垂直耦合带，在有限空间内增加电流路径长度，从而获得优良的阻抗匹配，拓宽有效带宽，降低剖面高度。
4.根据权利要求1所述的一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，其特征在于，所述电偶极子为带有蝴蝶结型槽缝的弧形金属贴片，所述弧形金属贴片能够抑制高频波瓣分瓣，以及获得良好的阻抗匹配，从而提高增益及拓展带宽。
5.根据权利要求1所述的一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，其特征在于，所述电偶极子金属贴片中间为梯形的水平耦合带，水平耦合带通过一对短路柱与反射地形成磁偶极子。
6.根据权利要求1所述的一种介质板堆叠的超表面磁电偶极子天线，其特征在于，所述超表面由40个矩形单元贴片组成。
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